O CÍCLOTRON DO IPEN-CNEN/SP - ATIVIDADES RECENTES
Sumair G. Araujo, Valdir Sciani, Maria Helena O. Sampa,
Wanderley de Lima e Paulo Roberto Rela
Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares
Caixa Postal 11049
05499-970, São Paulo, SP, Brasil
ABSTRACT
An isochronous and variable energy CV-28 cyclotron has been in routine
operation at IPEN-CNEN/SP since 1982. Is this type of machine, protons,
deuterons, 3He and alpha particles can be accelerated with variable energy up
to 24, 14, 36 and 28 MeV respectively which allows a diversity of
applications such as radioisotope production for medical diagnosis. In this
work main characteristics, uses, recent activities and future prospects are
presented.
INTRODUÇÃO
Com a instalação dos reatores nucleares, diversas aplicações da energia nuclear estão sendo
desenvolvidas. Dentre estas aplicações, uma possui destaque _especial pela sua crescente utilização
pela sociedade: a produção de radioisótopos para uso na medicina em diagnósticos médicos, para
uso como fontes de calibração na metrologia e como traçadores radioativos. Nos últimos quinze
anos verificou-se um rápido crescimento no uso de aceleradores de partículas para este propósito,
geralmente ciclotrons compactos [ 1,2,3,4,5].
O cíclótron CV-28 instalado no IPEN-CNEN/SP do tipo isócrono, compacto, de energia
variável, é uma fonte de irradiação capaz de acelerar prótons, dêuterons, He-3 e partículas alfa a uma
energia máxima de 24, 14, 36 e 28 MeV respectivamente. Trata-se de um equipamento de
procedência americana, produzido pela The Cyclotron Corporation em 1976 e em operação desde
1982. Devido a sua versatilidade, tem grande aplicação nos campos de medicina nuclear,
principalmente na produção de radioisótopos de meia vida cu rta, nas áreas de análise por ativação,
em fisica nuclear, em estudos de danos de radiação de metais e ligas metálicas, etc.
Neste trabalho, são apresentadas as p rincipais características do ciclotron do IPEN-CNEN/SP,
suas aplicações, o estágio atual de desenvolvimento e as perspectivas futuras.
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CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS
Na tabela l podem ser vistos os parâmetros dos feixes interno e externo produzidos pelo
ciclotron CV-28, de acordo com dados nominais do fabricante
.
PARTICULA
TABELA l
VAR. DE ENERGIA(MeV) CORRENTE EXT.(tA)
CORRENTE INT.(µA)
EmilEmax
prótons
dêuterons
HC
He—
;
°
2 - 24
4 - 14
6 - 36
8 - 28
40
50
5
6
60
100
50
40
200
300
135
90
TOLERÂNCIA: ±0,5 MeV em Emin e ±1 MeV em Emi.,
RESOLUÇÃO: 0,5% ou 50 KeV (o que tiver maior valor)
O equipamento em si está localizado em quatro alas com paredes de concreto que se rvem de
blindagem: a caverna, na qual está instalado o ciclotron propriamente dito e três salas experimentais
onde são irradiados os alvos. A capacidade total é de sete linhas de feixe externo e um sistema para
alvo interno. Atualmente estão operacionais duas linhas de feixe externo.
Conforme citado anteriormente o ciclotron CV-28 é do tipo isócrono, também chamado de
variável, definido por três setores radiais incorporados às peças polares e possui quatro bobinas
auxiliares para ajuste do perfil radial do campo, o que permite acelerar os quatro tipo de partículas
mencionadas na tabela 1. Os íons são gerados por uma fonte do tipo "penning"e são acelerados por
dois eletrodos em forma de "D", que estão conectados a um conjunto indutor localizado em um
sistema de radio-frequência. A fonte de íons utiliza catodos aquecidos pelos próprios íons,
eliminando assim a necessidade de um filamento. Os polos do eletroímã p rincipal se fecham em duas
part es formando uma câmara de vácuo, que permite a elevação da pa rte superior, dando acesso à
região de criação e aceleração dos ions para manuntenção. O feixe interno pode ser monitorado e
otimizado em qualquer raio de aceleração através de uma ponta de prova, a qual é completamente
retirada, permitindo que o feixe passe por um canal eletrostático e um magnético e seja extraído. A
figura 1 mostra a região central do ciclotron. O sistema de transpo rte do feixe consiste de uma linha
de feixe p rincipal para o feixe externo extraído com um sistema de bobinas de centralização
(steering) e focalização (quadrupolares). A deflexão do feixe para cada uma das sete linhas de feixe
externo até atingir o alvo é feita através de um ímã distribuidor. Em cada uma destas linhas está
também instalado um sistema de bobinas quadrupolares para focalização e um sistema de varredura
que permite uma melhor uniformidade do feixe [6]. A figura 2 mostra uma vista geral da caverna.
Atualmente são acelerados prótons com energia de 24 MeV e correntes de feixe externo
máximo no alvo de 3011A.
UTILIZAÇÃO DO CICLOTRON DO IPEN-CNEN/SP
O ciclotron se destina pri oritariamente à produção de radionuclídeos, que são incorporados a
radiofármacos, para utilização na medicina nuclear em diagnósticos médicos. Neste caso, os
materiais irradiados são posteriormente processados quimicamente na Supervisão de Radioisótopos
e o radiofármaco em questão colocado em forma de um composto adequado para sua utilização.
Dentre os radioisótopos produzidos podem ser destacados:
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Produção Rotineira: são os radioisótopos enviados sem analmente a hospitais e clínicas.
a) Gálio-67: obtido a partir da irradiação com prótons de Zinco-68. E utilizado na detecção de
tumores e lesões inflamatórias.
b) Iodo-123: obtido a partir da irradiação com prótons de Óxido de Telú rio-124. E utilizado
no mapeamento da tireóide.
Produção não Rotineira: são os radioisótopos em fase de otimização do processo de separação
química.
a) Indio-111: obtido a partir da irradiação com prótons de Cádmio natural. É utilizado na
cintilografia da medula óssea e marcação de proteínas.
•
b) Cromo-51: obtido a part ir da irradiação com prótons de Vanádio natural. É utilizado na
marcação de componentes do sangue e proteínas.
Ainda no campo de radioisótopos duas atividades devem ser mencionadas:
a) com o intuito de operar com correntes de feixe maiores, vis ando a produção de 67Ga e " lIn,
foi modificado e otimizado o sistema de alvo interno, o que diminuirá significativamente os tempos
de irradiação.
b) no caso de alvos líquidos o interesse está voltado para a produção de 18F, pois ele possui um
grande potencial como radionuclídeo para captação de imagens "in vivo", utilizando-se tomografia
por emissão de pósitron. Em fase de desenvolvimento de po rta-alvo, irradiações foram realizadas
com prótons em água bidestilada e deionizada utilizando-se po rta-alvo de grande volume (-60m1),
mostrando a viabilidade de produção de ' 8F [7].
Além da produção de radioisótopos, outras irradiações realizadas para pesquisa pura e aplicada
podem ser destacadas:
a) estudo da fragilização de aços inoxidáveis, devido à presença do gás Hélio implantádo com
partículas alfa;
b) implantação de prótons no silício, para dopagem em semi-condutores;
c) criação de traços em Cr-39, para pesquisa básica no campo de detetores;
d) estudo das funções de excitações de reações nucleares, visando selecionar a melhor faixa de
energia para produção de radioisótopos em geral;
e) análise de materiais através da ativação com partículas carregadas;
f) estudo do desgate de mate riais metálicos;
g) preparação de fontes de calibração e traçadores radioativos: 57Co, 111 In e 109Cd.
PERSPECTIVAS FUTURAS
Com o desenvolvimento de dispositivos que visam a otimização e o ap rimoramento do
ciclotron pode-se assegurar uma operação mais confiável. Para o futuro estão previstos diversas
etapas, a saber:
a) projeto, montagem e instalação da caixa do ressonador, em substituição da atual;
b) instalação de duas novas linhas de feixe, que facilitarão as irradiações efetuadas atualmente,
onde estão disponíveis apenas duas linhas de feixe das sete projetadas inicialmente para o ciclotron;
c) instalação do alvo interno, onde será possível operar com correntes de feixe no alvo
maiores, diminuindo significantemente os tempos de irradiação;
d) desenvolvimento e nacionalização de componentes e/ou equipamentos para o ciclotron;
e) otimização de um port a-alvo de pequeno volume (-0,3ml) para irradiação de alvos líquidos
visando a produção rotineira de "F, com a utilização de água enriquecida no isótopo 180;
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f) desenvolvimento de porta-alvos para a irradiação de alvos gasosos;
g) irradiações para a produção de fontes de calibração e traçadores radioativos: "'In, "Co e
mCd
.
REFERÊNCIAS
[I] WORKSHOP ON TARGETRY AND TARGET CHEMISTRY, 1., October 4-7, 1985.
Proceedings..., Heidelberg, Germany: Deutsches Krebsforschumgszentrum, 1985. 161 p.
[2] WORKSHOP ON TARGETRY AND TARGET CHEMISTRY, 2., September 22-25, 1987.
Proceedings..., Heidelberg, Germany: Deutsches Krebsforschumgszentrum, 1987. 198 p.
[3] WORKSHOP ON TARGETRY AND TARGET CHEMISTRY, 4., September 9-12, 1991
Proceedings..., Regin Weinreich (Ed.), Villigen, Switzerland: Paul Scherrer Institut, 1991.
275 P.
.
[4] QAIM, S.M. Target development for medical radioisotope production at a cyclotron. Nucl.
Instrum. Methods in Phys. Res. v.41, n.10/11, p.917-934, 1990.
[5] CLAYTON, C.G. Some comments on the development of radiation and radioisotope
measurement applications in industry. Int. J. Appl. Radiat. lsot v.34, n.12, 917-934, 1990.
[6] LUCKI, G., ZANCHETTA, A.A., GOUVEIA, S., KLEIN, H. Isochronous variable energy
cyclotron of IPEN-CNEN/SP - Installation, uses and perspectives. In: IV Japan-Brazil
Symposium on Science and Technology. Vol. IV - Application of Radiation and
Radioisotopes (Sao Paulo, SP, Brazil, August 6-9, 1984), p.146-153.
[7] SANTOS, L.L.M. Desenvolvimento de sistema de irradi gão de água natural para a produção de
18 F no ciclotron do IPEN, 1994, Dissertação (Mestrado) IPEN-CNEN/SP.
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FIGURA I - Região Central do Ciclotron
FIGURA 2 - Vista Geral da Cave rn a
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ín.OPlI1SSV; PiACiOItV _
NUCLEAR/SP